三相绕线式异步电动机各种运行状态下的机械特性.docx

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三相绕线式异步电动机各种运行状态下的机械特性

三相绕线式异步电动机各种运行状态下的机械特性

原 理 简 述

    机械特性是指其转速与转矩间的关系，一般表示为。

由于三相异步电动机的机械特性呈非线性关系，所以函数表达式以转速为自变量，转矩为因变量，写为更为方便。

又因转差率s也可以用来表征转速，而且用s表示的机械特性表达式更为简洁，所以对三相异步电动机一般用来表示机械特性，同时将作为横坐标，这样和原的图形是一致的。

一、三相异步电动机机械特性的表达式

    三相异步电动机机械特性的表达式一般有三种：

    1．物理表达式

    其中为异步电机的转矩常数；为每极磁通；为转子电流的折算值；为转子回路的功率因数。

    2．参数表达式

   其中。

    3．实用表达式

   其中为最大转矩，为发生最大转矩时的转差率。

   三种表达式其应用场合各有不同，一般物理表达式适用于定性分析与及间的关系，参数表达式可以分析各参数变化对电动机运行性能的影响，而实用表达式最适合用于进行机械特性的工程计算。

二、三相异步电动机的机械特性

   1．固有机械特性

   固有机械特性是指异步电动机在额定电压、额定频率下，电动机按规定方法接线，定子及转子回路中不外接电阻（电抗或电容）时所获得的机械特性，如图15-1所示。

图15-1三相异步电动机的固有机械特性

   下面对机械特性上反映其特点的几个特殊点进行分析：

（1）起动点：

其特点是：

，，起动电流；

（2）额定运行点：

其特点是：

，，；

   （3）同步速点：

其特点是：

，，，，

        点是电动状态与回馈制动的转折点；

   （4）最大转矩点：

电动状态最大转矩点，其特点是：

，；回馈制动最大转矩点，其特点是：

，；由公式可以看出，。

2．人为机械特性

   由三相异步电动机机械特性的参数表达式可见，异步电动机的电磁转矩在某一转速下的数值，是由电源电压、频率、极对数及定转子电路的电阻、电抗、、、决定的。

因此人为的改变这些参数，就可得到不同的人为机械特性。

现介绍改变某些参数时人为机械特性的变化：

（1）降低电压

      不变，不变，因为，，，所以降低电压时，、、均减小，其人为机械特性见图15-2。

（2）转子回路串联对称电阻

图15-2 三相异步电动机降低电压时的人为机械特性图

15-3 三相异步电动机转子回路串联对称电阻时的人为机械特性

    适用绕线式电机，不变，当增大，即串入，增大，增大，不变，其人为机械特性见图15-3。

   （3）定子回路串联对称电抗

   一般用于鼠笼式异步电动机降压起动，不变，、、随所串电抗值的增大而减小，其人为机械特性见图15-4。

    （4）定子回路串联对称电阻

    同定子回路串联对称电抗，不变，、、随所串电阻值的增大而减小，其人为机械特性见图15-5。

 图15-4  三相异步电动机定子回路串联对称电抗时的人为机械特性

图15-5  三相异步电动机定子回路串联对称电阻时的人为机械特性

   （5）转子回路接入并联电阻和电抗

图15-6 三相异步电动机转子回路接入并联电阻和电抗时的人为机械特性

   适用于绕线式电机。

转子回路接入并联电阻和电抗如图15-6a所示，起动过程中，电抗值随转子回路的频率变化，转速较低即频率较高时电抗值较大，转子电流大部分流过电阻，随着转速升高，电抗逐步减小，流过电阻的电流逐步减小，流过电抗的电流逐步增大，起动结束后，几乎全部转子电流都流过电抗，近乎将并联的电阻开路。

如果参数配合适当，电动机在整个加速过程中产生几乎恒定的转矩，绕线式异步电动机转子串联频敏变阻器起动即应用了上述原理。

其人为机械特性不变，低速时由于电阻流过的电流大，转矩比固有特性大，由于电抗的串入略有减小，曲线见图15-6b。

   对于改变电源频率和电动机极对数的人为机械特性，在《电机学》有关章节中专门讨论，因本次实验不包括这些内容，此处就不再介绍。

三、三相异步电动机的各种运行状态

   与直流电动机相同，三相异步电动机也可工作于两大运行状态，即电动运行状态和制动运行状态。

在交流电力拖动系统运行时，拖动不同负载的条件下，改变异步电动机电源电压的大小、相序及频率，或者改变绕线式异步电动机转子回路所串电阻等参数，三相异步电动机可以运行在四个象限的各种不同状态。

   1．电动运行状态

图15-7 电动运行状态下异步电动机的机械特性

    电动运行状态的特点是电动机转矩的方向与旋转的方向相同，在图15-7的第I及第III象限绘出了电动状态下电动机的机械特性。

第I象限电动机工作在正向电动状态，第III象限相当于电动机改变相序后，工作在反向电动状态。

在电动状态下运行，电动机由电网吸取电能，变换为机械能带动负载。

    2．制动运行状态

   与直流电动机相同，异步电动机也可工作于回馈制动、反接制动及能耗制动三种制动状态。

其共同的特点是电动机转矩与转速的方向相反，以实现制动。

此时电动机由轴上吸收机械能，并转换为电能，或消耗在电阻中，或反馈回电网。

（1）回馈制动

   当异步电动机由于某种原因，例如位能性负载的作用，使其转速高于同步速，转差率，转子感应电势反向，转子电流的有功分量也反向，而转子电流的无功分量方向则不变，由相量图可以看出，定子电流也相应改变，和间的相位差角，此时定子功率为负，即定子绕组将电能回馈电网。

同时转差率，电磁转矩，电磁转矩的方向和转向相反，在转子轴上产生制动转矩。

   综上所述，当转速高于同步速时，电动机处于回馈制动运行状态。

回馈制动状态一般用于位能性负载下放，以获得稳定的下放速度，或异步电动机变极调速由少极数变为多极数时发生。

  （a）                                （b）

图15-8异步电动机回馈制动的机械特性

（a）正向回馈制动  （b）反向回馈制动

    当电动机处于正向电动运行时，转速高于同步速为正向回馈制动，如图15-8a所示；当电动机处于反向电动运行时，转速高于同步速为反向回馈制动，如图15-8b所示。

本次实验做的是正向回馈制动，由一直流电动机拖动异步电动机使其转速高于同步速。

（2）反接制动状态

   实现反接制动可有转速反向和定子两相反接两种方法，分别讨论如下：

   ①转速反向的反接制动（或称倒拉反转制动）

   转速反向的反接制动与直流电动机的电势反接制动相似。

异步电动机带位能性负载，按正转接线，转子回路串入较大电阻，机械特性的最大转矩点到了第IV象限。

当接通电源，电动机的起动转矩的方向与重物产生的负载转矩相反，而且，在重物的作用下，迫使电动机反的方向旋转，并在重物下降的方向加速。

此时转差率，随着的增加，、及均增大，直到转矩增至，转速稳定为，此时重物以等速下降，稳定运行点在第IV象限的点，如图15-9b所示，图中机械特性在第IV象限的部分（用实线表示）即为异步电动机转速反向的反接制动。

   （a）                                 （b）

图15-9 三相绕线式异步电动机转速反向的反接制动电路图和机械特性

（a）电路图                 （b）机械特性

    这种制动与前述回馈制动一样，可用于起重机的重物下放，这也属于一种稳定运行状态。

   电动机在反接制动状态时，它由轴上输入机械功率（为负），同时，定子又通过气隙向转子输送电功率，这两部分合起来消耗在转子电路的总电阻中。

   ②定子两相反接的反接制动

   异步电动机带动生产机械原在正向电动状态稳定运行（图15-10b中的点），为了迅速停车或反向，可将定子两相反接（如为绕线式转子，可同时在转子回路中串联电阻，见图15-10a），定子相序改变，旋转磁场方向也改变，转子转向未变，转差率变为，、、及均与正向电动运行时相反，从而得到反向的机械特性如图15-10b所示。

定子绕组刚反接瞬间，工作点由转移到，然后在电动机的转矩和负载转矩共同作用下，电动机转速很快下降，相当于机械特性的段。

在转速为零的点，如不切断电源，电动机将反向加速，进入反向电动运行状态，如果是位能性负载，将继续加速进入反向回馈运行。

    （a）                              （b）

       图15-10 定子两相反接的反接制动的电路图与机械特性

 （a）电路图          （b）机械特性

    定子两相反接的反接制动就是指机械特性的段。

   本次实验要做的是转速反向的反接制动，由一直流电动机拖动异步电动机使其反向旋转，模拟位能性负载。

   （3）能耗制动状态

   异步电动机原在图15-11b所示的点运行，相应于图15-11a电路图中闭合，断开。

为了迅速停车，开关转换，即当断开，电动机脱离电网时，立即将接通，则在定子两相绕组中通入直流电流，在定子内形成一固定磁场。

当转子由于惯性而仍在旋转时，其导体即切割该磁场，在转子中产生感应电动势和转子电流。

根据左手定则，可以确定出转矩方向与转速方向相反，即为制动转矩。

   可以证明，能耗制动的机械特性与定子接三相交流电源运行时的机械特性很相似，是一条具有正、负最大值，过点的曲线，如图15-11b中的曲线1、2和3。

能耗制动的机械特性曲线在第II象限。

如果以转子不外串电阻，定子直流励磁电流为某一定值时的曲线1为基准，如果增大转子回路所串电阻而直流励磁电流不变时，最大转矩不变，产生最大转矩的转速增加，如图15-11b曲线3所示。

如果转子回路所串电阻不变而直流励磁电流增大时，最大转矩增大，产生最大转矩的转速不变，如图15-11b曲线2所示。

   除图15-11a所示的两相绕组通入直流电流外，根据绕组接法的不同，还可以有其它的方法给定子绕组通入直流电流。

（a）                                           （b）

图15-11  异步电动机能耗制动的电路图与机械特性

（a）电路图          （b）机械特性

若三相异步电动机带动反抗性恒转矩负载运行时，采用能耗制动停车，电动机的运行点在第II象限，如图15-11b所示，从，最后准确停在处。

实验十五 三相绕线式异步电机在各种运行状态下的机械特性实验

一、实验目的

   了解三相绕线式异步电动机在各种运行状态下的机械特性。

二、实验内容

   1．测定三相绕线异步电动机在电动运行状态下的机械特性。

   2．测定三相绕线异步电动机在正向回馈（也叫再生发电）制动运行状态下的机械特性。

   3．测定三相绕线异步电动机在转速反向的反接制动运行状态下的机械特性。

三、实验说明及操作步骤

    实验线路如图15-12所示，图中为被试三相绕线式异步电动机，其额定值为：

，，，，为作为负载用的直流电机，安装时和涡流测攻机用联轴器直接联接（图虚线所示）。

    三相电阻选用挂件上的三只、的可调电阻，接成接法，即端短接，端接转子端；选用挂件上的（考虑到电枢电流，故采用）,实际接线为端短接，端短接，端短接，端分别接向开关和电流表一端；选用挂件上的（接端，即两只串联）。